貴州某高填方機(jī)場(chǎng)紅黏土地基強(qiáng)夯置換法處理試驗(yàn)研究

余虔

摘要：紅粘土作為高填方工程的底層地基，處理其沉降和不均勻性沉降是高填方工程研究的重點(diǎn)。以貴陽(yáng)某高填方機(jī)場(chǎng)紅粘土地基的處理為例，通過(guò)沉降分析開(kāi)展強(qiáng)夯置換處理試驗(yàn)研究。根據(jù)場(chǎng)區(qū)內(nèi)不同覆土厚度， 采用不同能級(jí)進(jìn)行強(qiáng)夯置換處理試驗(yàn)確定了合理的施工工藝和參數(shù)。通過(guò)施工中監(jiān)測(cè)和施工前后地基土處理效果檢測(cè)（置換墩長(zhǎng)度、載荷試驗(yàn)、原位測(cè)試）， 強(qiáng)夯置換處理取得了良好的效果，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，施工參數(shù)可指導(dǎo)大面積施工。

Abstract： The treatment of red clay subsidence is important for astability of a foundation. Taking the treatment of red clay foundation in a high filling airport of Guiyang as an example， the experimental study on dynamic compaction replacement is carried out by settlement analysis. According to the different casing thickness in the field area， the different construction technology and parameters are determined by the different displacement test. Through the construction of monitoring and construction of the soil before and after treatment effect detection （replacement pier length， load test， in situ test）， dynamic compaction replacement treatment has achieved good results to meet the design requirements.

關(guān)鍵詞：紅粘土；高填方；機(jī)場(chǎng)工程；強(qiáng)夯置換；試驗(yàn)研究

Key words： red clay；high fill；airport project；dynamic compaction replacement；experimental study

中圖分類(lèi)號(hào)：U416.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2017）32-0127-04

0 引言

貴州地區(qū)紅黏土主要分布在巖溶盆地、巖溶洼地以及盆地周邊的坡腳等地帶，天然剖面厚度不大，一般僅有十余米厚，局部有較厚者可達(dá)二十余米厚，也有不少地段厚度小于十米，或者缺失土層。貴州地區(qū)紅黏土屬于碳酸鹽巖紅土，這類(lèi)紅黏土剖面沿長(zhǎng)度變化展現(xiàn)了與眾不同的特點(diǎn)，土的物理力學(xué)特性沿長(zhǎng)度的變化規(guī)律與正常土體剖面的變化規(guī)律正好相反，從地表往下，土的密實(shí)度逐漸減小，天然含水量逐漸增高，稠度狀態(tài)由硬逐漸變軟，力學(xué)性質(zhì)逐漸變差[1]。上述特征會(huì)引起一些特殊的工程地質(zhì)問(wèn)題，針對(duì)機(jī)場(chǎng)工程尤為突出的是下臥層軟弱引起的沉降與差異沉降問(wèn)題。因此，對(duì)于紅黏土的地基處理研究，對(duì)于保證機(jī)場(chǎng)工程質(zhì)量、節(jié)約工程投資和工期都具有十分重要的意義。本文研究國(guó)內(nèi)機(jī)場(chǎng)工程和道路工程紅黏土處理方法[2-6]，結(jié)合貴州某機(jī)場(chǎng)自身特點(diǎn)，根據(jù)紅粘土厚度和狀態(tài)，選取強(qiáng)夯置換法進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證強(qiáng)夯置換法處理紅粘土的適宜性，分析強(qiáng)夯置換法加固紅粘土的加固長(zhǎng)度及加固效果，提出較為適宜的施工參數(shù)。

1 機(jī)場(chǎng)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

某機(jī)場(chǎng)工程為高填方工程，平均填方高度約30m，最大填方高度約70m，地基紅黏土自上至下一般為硬塑→可塑→軟塑狀態(tài)，紅黏土壓縮、脹縮、固結(jié)特性評(píng)價(jià)見(jiàn)表1～表3。

2 強(qiáng)夯置換試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)紅黏土厚度不同，采用不同能級(jí)強(qiáng)夯置換法處理，強(qiáng)夯置換料采用場(chǎng)內(nèi)白云巖石料，最大粒徑應(yīng)不大于0.4m，含泥量應(yīng)不大于10%，級(jí)配應(yīng)良好（不均勻系數(shù)Cu 5，曲率系數(shù)Cc=1～3）。點(diǎn)夯兩遍，夯后推平，滿(mǎn)夯一遍，錘底靜壓力不小于80kPa。強(qiáng)夯置換處理前需鋪設(shè)強(qiáng)夯墊層，墊層厚1m，材料要求和置換墩填料相同。

強(qiáng)夯收斂采用雙標(biāo)準(zhǔn)控制：夯擊遍數(shù)及單點(diǎn)擊數(shù)均不小于設(shè)計(jì)要求；點(diǎn)夯單擊夯擊能為3000kN·m時(shí)最后兩擊平均夯沉量不大于50mm；點(diǎn)夯單擊夯擊能為4000kN·m和5000kN·m時(shí)最后兩擊平均夯沉量不大于100mm；點(diǎn)夯單擊夯擊能為6000kN·m時(shí)最后兩擊平均夯沉量不大于150mm；滿(mǎn)夯最后兩擊平均夯沉量不大于50mm。

3 試驗(yàn)施工情況

3.1 試驗(yàn)區(qū)位置及規(guī)模

強(qiáng)夯置換試驗(yàn)區(qū)選取飛行區(qū)土面區(qū)，試驗(yàn)區(qū)共計(jì)2883m2，具體情況如表5。

3.2 施工機(jī)械

強(qiáng)夯置換點(diǎn)夯采用直徑1.5m異性錘，錘重36.4T，錘底靜壓力為206kPa，滿(mǎn)夯錘徑為2.5m，錘重20.4T錘底靜壓力41.6kPa，均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.3 施工順序

鋪設(shè)墊層→定位→第一遍點(diǎn)夯開(kāi)始（2016年5月30日）→坑內(nèi)補(bǔ)料→第一遍點(diǎn)夯結(jié)束（2016年6月2日）→推平場(chǎng)地→（孔隙水消散）→第二遍點(diǎn)夯開(kāi)始（2016年6月18日）→坑內(nèi)補(bǔ)料→第二遍點(diǎn)夯結(jié)束（2016年6月22日）→推平場(chǎng)地→（孔隙水消散）→第三遍滿(mǎn)夯（2016年7月3日～7月7日）→試驗(yàn)監(jiān)測(cè)檢測(cè)。

4 試驗(yàn)分析

試驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)強(qiáng)夯置換夯沉量進(jìn)行觀測(cè)；全程觀測(cè)孔隙水壓力；試驗(yàn)后采用超重型、鉆探、地質(zhì)雷達(dá)對(duì)置換墩進(jìn)行檢測(cè)，檢查置換墩著底情況并計(jì)算墩長(zhǎng)，并在施工后7d、14d、28d，進(jìn)行置換墩單墩載荷試驗(yàn)；試驗(yàn)前、后進(jìn)行墩間土全長(zhǎng)度內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、靜力觸探試驗(yàn)。endprint

4.1 監(jiān)測(cè)結(jié)果分析

4.1.1 強(qiáng)夯置換平均夯沉量觀測(cè)（表6）

強(qiáng)夯置換夯沉量觀測(cè)結(jié)果表明：各夯擊能實(shí)際夯擊數(shù)比設(shè)計(jì)預(yù)估值大，隨著夯擊數(shù)增加，夯坑夯沉幅度減小，坑外隆起增大，夯擊能為6000kN·m的周?chē)骄∑鸶叨冗_(dá)到40cm，有效夯實(shí)率減小。由于紅黏土強(qiáng)夯坑底土體存在極大的塑性變形，夯沉曲線(xiàn)收斂較慢，致使實(shí)際夯擊數(shù)大于設(shè)計(jì)夯擊數(shù)。試驗(yàn)區(qū)第二遍點(diǎn)夯的置換墩夯沉量比第一遍點(diǎn)夯減小；同時(shí)第二遍點(diǎn)夯的夯擊數(shù)、周?chē)馏w隆起高度、填料量均比第一遍點(diǎn)夯略有減小，表明第一遍點(diǎn)夯后，紅黏土地基得到一定程度加固。綜合夯沉量統(tǒng)計(jì)表分析表明采用的夯擊擊數(shù)范圍內(nèi)，強(qiáng)夯置換處理對(duì)紅黏土還是產(chǎn)生了比較好的夯實(shí)效果。

4.1.2 孔隙水壓力監(jiān)測(cè)

圖1為監(jiān)測(cè)點(diǎn)K-B2-2自強(qiáng)夯置換施工至土方填筑完成時(shí)孔隙水壓力與地下水水位變化圖，分析孔隙水壓力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)可以看出：第一階段包括三個(gè)孔壓峰值點(diǎn)，分別是第一遍點(diǎn)夯時(shí)對(duì)應(yīng)的56.9kPa，第二遍點(diǎn)夯時(shí)對(duì)應(yīng)的27.1kPa，滿(mǎn)夯對(duì)應(yīng)的16.7kPa，按照孔隙水壓力消散70%作為控制指標(biāo)，第一遍點(diǎn)夯、第二遍點(diǎn)夯、滿(mǎn)夯所需要的消散時(shí)間分別為：14d、7d、14d。

4.2 處理效果檢測(cè)

4.2.1 置換墩長(zhǎng)度檢測(cè)

強(qiáng)夯置換后，置換墩長(zhǎng)度采用鉆探法、超重型動(dòng)探法、物探方法三種方法檢測(cè)著底情況。

①鉆探法。

通過(guò)鉆探法確定置換墩長(zhǎng)度，計(jì)算置換墩幾何體積，根據(jù)平均填料量推算充盈系數(shù)，并與（累計(jì)夯沉量/置換墩長(zhǎng)度）相比較，最終確定不同能級(jí)強(qiáng)夯置換最大處理長(zhǎng)度以及平均累計(jì)夯沉量與置換墩長(zhǎng)度的關(guān)系。

通過(guò)鉆孔法查明不同能級(jí)置換墩長(zhǎng)度與能級(jí)大小相關(guān)，3000kN·m～6000kN強(qiáng)夯置換墩平均長(zhǎng)度分別為4m、5m、6m、6.8m，能級(jí)越大置換墩長(zhǎng)度越大，強(qiáng)夯置換影響深度也越大；累計(jì)夯沉量與置換墩長(zhǎng)度平均值分別為2.67、2.70、2.39、2.46，與相應(yīng)充盈系數(shù)比較，較為接近，準(zhǔn)確真實(shí)的反應(yīng)了強(qiáng)夯置換后在軟弱紅粘土中形成墩體復(fù)合地基，達(dá)到處理紅粘土效果。

②超重型動(dòng)探法。

圖2～圖5為不同能級(jí)強(qiáng)夯置換處理后置換墩超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)曲線(xiàn)圖。

根據(jù)圖2～圖5，通過(guò)對(duì)不同能級(jí)置換墩的超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果分析，超重型動(dòng)力觸探錘擊數(shù)自上至下呈先增大后減小趨勢(shì)，置換墩表層較為松散，擊數(shù)一般較小，大約1m深度位置達(dá)到密實(shí)，一般擊數(shù)為8；深度1m至置換墩附近底擊數(shù)一般較為穩(wěn)定；下部顯著突變，說(shuō)明已進(jìn)入土層。根據(jù)超重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)結(jié)果，3000kN·m、4000kN·m、5000kN·m、6000kN·m置換墩的長(zhǎng)度分別為3.7m～4.0m、4.5m～5.5m、5.5m～6.5m、6.5m～7m。

③物探法。

物探采用地質(zhì)雷達(dá)檢測(cè)，強(qiáng)夯置換區(qū)域一共布置了14條測(cè)線(xiàn)。選取其中的L1測(cè)線(xiàn)（如圖6所示），根據(jù)L1測(cè)線(xiàn)地質(zhì)雷達(dá)剖面圖并不能很明確的看出強(qiáng)夯置換墩的長(zhǎng)度，因此不建議采用地質(zhì)雷達(dá)物探法檢測(cè)強(qiáng)夯置換墩長(zhǎng)度。

4.2.2 單墩承載力載荷試驗(yàn)

強(qiáng)夯置換墩靜載荷試驗(yàn)一共進(jìn)行了12個(gè)點(diǎn)，每種強(qiáng)夯能級(jí)區(qū)分別三個(gè)，其承載力如表8所示。

4.2.3 紅黏土全長(zhǎng)度原位測(cè)試

強(qiáng)夯置換前、后，對(duì)強(qiáng)夯置換墩間紅黏土全長(zhǎng)度內(nèi)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入和靜力觸探試驗(yàn)，結(jié)果表明，不同能級(jí)處理前原地基土的標(biāo)貫擊數(shù)當(dāng)量值為13.5～17.6，均值為15.9；處理后7d當(dāng)量值為14.6～20.5，均值為16，紅黏土強(qiáng)度比處理前提高了0.15%；處理后14d當(dāng)量值為16.5～26，均值為19.4，比處理前提高了21%。原地基的比貫入阻力處理前為1.13～2.45MPa，均值為1.64MPa；處理后7d比貫入阻力為1.16～1.67MPa，均值為1.42MPa，比強(qiáng)夯處理前降低了13%；強(qiáng)夯后14d比貫入阻力為1.77～2.77MPa，均值為2.05MPa，比處理前增加了44%。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，不同能級(jí)強(qiáng)夯置換區(qū)域呈現(xiàn)相同的變化規(guī)律，處理后7d，不同長(zhǎng)度紅黏土原位測(cè)試指標(biāo)變化不明顯，有些甚至出現(xiàn)降低，處理后14d，參考孔隙水壓力監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)，孔隙水壓力消散，強(qiáng)度有大幅度的提高。所以，強(qiáng)夯置換處理紅粘土地基，應(yīng)間隔一定時(shí)間進(jìn)行下步施工工序是保證處理效果的重要因素之一。圖7～8為6000kN·m強(qiáng)夯置換處理前后原位測(cè)試結(jié)果。

5 結(jié)論

通過(guò)強(qiáng)夯置換處理紅粘土監(jiān)測(cè)（強(qiáng)夯擊數(shù)、夯沉量、孔隙水壓力）和檢測(cè)（置換墩長(zhǎng)度、原位測(cè)試、載荷試驗(yàn)），經(jīng)分析得出以下結(jié)論：

①機(jī)場(chǎng)工程以紅粘土地基沉降和不均勻沉降作為控制指標(biāo)，采用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行地基處理，效果明顯，行之有效；

②通過(guò)試驗(yàn)確定不同能級(jí)處理施工參數(shù)：最佳強(qiáng)夯擊數(shù)、累計(jì)夯沉量、強(qiáng)夯置換處理深度。

③根據(jù)強(qiáng)夯置換墩載荷試驗(yàn)及強(qiáng)夯置換處理前后夯點(diǎn)間土原位測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果，表明處理后對(duì)紅粘土地基性質(zhì)有較大改善，符合強(qiáng)夯置換理論規(guī)律，強(qiáng)夯相關(guān)試驗(yàn)參數(shù)是可靠的，可應(yīng)用于大面積施工。

④強(qiáng)夯置換第一遍點(diǎn)夯、第二遍點(diǎn)夯及滿(mǎn)夯進(jìn)行一步工序應(yīng)間隔一定時(shí)間，經(jīng)試驗(yàn)研究本工程紅粘土地基強(qiáng)夯處理間隔宜分別不小于14d、7d、14d。

⑤強(qiáng)夯置換處理效果，宜采用超重型動(dòng)力觸探檢測(cè)置換墩深度，采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)墩間土處理效果，采用載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)墩體。

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